Un modèle numérique pour la simulation des réseaux d'assainissement pluvial fondé sur le concept de stockage

= A numerical model for simulation of urban drainage systems based on the concept of storage

• Auteur / Autrice : Homayoun Motiee
• Direction : Bernard Chocat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Conception en Bâtiment et Techniques Urbaines
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : école doctorale non créée
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : labo non créé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation numérique

Stockage

Ondes -- Propagation

Hydrologie

Résumé

Les réseaux d'assainissement ont pour mission d'évacuer les eaux de pluie et les eaux usées hors de la ville. La compréhension et la modélisation des phénomènes associés à l'écoulement de l'eau à travers la forme complexe des réseaux constituent des enjeux très importants. Différents modèles susceptibles de représenter ces phénomènes existent : certains utilisent les fondements de la mécanique des fluides (équations de Barré de Saint Venant), d'autres reposent sur des principes empiriques ou conceptuels (Time offset, Muskingum. Chacune de ces familles de modèles présente des avantages et des inconvénients et, aucune ne permet de traiter la totalité des situations susceptibles d'être rencontrées. Nous avons développé un nouveau modèle (Stock) de type conceptuel, intermédiaire dans sa complexité entre les modèles mécanistes et les modèles simples les plus classiques. Ce modèle s'appuie principalement sur la représentation correcte des phénomènes de stockage-déstockage à l'intérieur du système d'assainissement. Il répond aux exigences suivantes: 1) simuler le réseau pour les différents régimes : écoulements à surface libre ou écoulements en charge, passage d'un régime à l'autre; 2) prendre en compte les influences aval, en surface libre ou en charge; 3) nécessiter de temps de calcul largement inférieurs à ceux du modèle Barré de Saint Venant sans poser de problèmes de stabilité; 4) être capable de tenir compte des ouvrages spéciaux rencontrés dans les systèmes d'assainissement (chutes, siphons, déversoirs d'orage, défluences, etc. ). Le modèle a fait l'objet d'une analyse théorique qui a permis d'établir une correspondance avec les différentes formes simplifiées des équations de Barré de Saint Venant (onde de crue simple et onde de crue diffusante) et de montrer que son intérêt principal par rapport à ces méthodes était d'utiliser les simplifications les mieux adaptées aux conditions de l'écoulement. La validation expérimentale du modèle a été faite par la comparaison des résultats du modèle avec celui de modèle de Barré de Saint Venant du logiciel CEDRE. Cette comparaison numérique a permis de montrer que notre modèle permettait l'amélioration des résultats par rapport au modèle de Muskingurn du logiciel CEDRE, tout en réduisant de façon importante les temps de calcul par rapport aux équations complètes de Barré de Saint Venant Du logiciel CEDRE. A la fin nous avons complété la validation du modèle par une série de tests sur les réseaux réels.

The aim of the urban drainage system (sewer network) is to drain off storm and rain water and waste water. Understanding and modelling « flood routing » phenomena through complex networks involve very important stakes. Different models can represent these hydraulic phenomena: - some of them are based on fluid mechanics and Barré de Saint Venant equations; - others rest empirical or conceptual principles, such as the Time offset model or the Muskingum model. Each of these groups of models present some advantages and some drawbacks and none of them enable treatment of all situations encountered. We have developed a new conceptual model (Storage) which represent an intermediary level of complexity between mechanical models and simpler classic models. This model is based on the correct representation of storage-destorage inside the urban drainage system. We hope that this model has the following qualities: 1) the network simulation for the different flow conditions: open flow (free surface) or surcharge flow; 2) the calculation of backwater effect in open or surcharge flow; 3) the need for shorter calculation time compared to that of the Barré de Saint Venant model; 4) the ability to take into account existing hydraulic structures in sewer networks such as drop, inverse siphon, weirs etc. ; A theoretical study was carried out to establish the relationship between simplified forms of the Barré de Saint Venant equations (Cinematic model or Diffusant model). This study shows that the new model is especially interesting compared to others, because it is the best adapted of simplifications studied in regards to flow conditions. The experimental validation of the model was based on numerical comparison with the results from a reference model (Barré de Saint Venant model of the CEDRE software), and with the results of data collected from real networks. The tests present an improvement in the results with respect to those of the Muskingum model and an important reduction in calculation time with respect to the Barré de Saint Venant model of the CEDRE software.